（建筑工程管理）工程材
料
《工程材料》复习资料
第一章金属的晶体结构与结晶
1．解释下列名词
点缺陷，线缺陷，面缺陷，亚晶粒，亚晶界，刃型位错，单晶
体，多晶体，
过冷度，自发形核，非自发形核，变质处理，变质剂。
答：点缺陷：原子排列不规则的区域在空间三个方向尺寸都很
小，主要指空位间隙原子、置换原子等。
线缺陷：原子排列的不规则区域在空间一个方向上的尺寸很
大，而在其余两个方向上的尺寸很小。如位错。
面缺陷：原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很
大，而另一方向上的尺寸很小。如晶界和亚晶界。
亚晶粒：在多晶体的每一个晶粒内，晶格位向也并非完全一
致，而是存在着许多尺寸很小、位向差很小的小晶
块，它们相互镶嵌而成晶粒，称亚晶粒。
亚晶界：两相邻亚晶粒间的边界称为亚晶界。
刃型位错：位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶
体的局部滑移而造成。滑移部分与未滑移部分的交
界线即为位错线。如果相对滑移的结果上半部分多
出一半原子面，多余半原子面的边缘好像插入晶体
中的一把刀的刃口，故称“刃型位错”。
单晶体：如果一块晶体，其内部的晶格位向完全一致，则称这
块晶体为单晶体。
多晶体：由多种晶粒组成的晶体结构称为“多晶体”。
过冷度：实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度。
自发形核：在一定条件下，从液态金属中直接产生，原子呈规
则排列的结晶核心。
非自发形核：是液态金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶
核。
变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些难熔固态颗粒，
造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶
时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化
晶粒，这种处理方法即为变质处理。
变质剂：在浇注前所加入的难熔杂质称为变质剂。
2.常见的金属晶体结构有哪几种？α-Fe、γ-
Fe、Al、Cu、Ni、Pb、Cr、V、Mg、Zn各属何种晶体结构？
答：常见金属晶体结构：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六
方晶格；
α－Fe、Cr、V属于体心立方晶格；
γ－Fe、Al、Cu、Ni、Pb属于面心立方晶格；
Mg、Zn属于密排六方晶格；
3.配位数和致密度可以用来说明哪些问题？
答：用来说明晶体中原子排列的紧密程度。晶体中配位数和致密
度越大，则晶体中原子排列越紧密。
4.晶面指数和晶向指数有什么不同？
答：晶向是指晶格中各种原子列的位向，用晶向指数来表示，形
式为；晶面是指晶格中不同方位上的原子面，用晶面指数来
表示，形式为。
5.实际晶体中的点缺陷，线缺陷和面缺陷对金属性能有何影响？
答：如果金属中无晶体缺陷时，通过理论计算具有极高的强度，
随着晶体中缺陷的增加，金属的强度迅速下降，当缺陷增加
到一定值后，金属的强度又随晶体缺陷的增加而增加。因
此，无论点缺陷，线缺陷和面缺陷都会造成晶格崎变，从而
使晶体强度增加。同时晶体缺陷的存在还会增加金属的电
阻，降低金属的抗腐蚀性能。
6.为何单晶体具有各向异性，而多晶体在一般情况下不显示出各
向异性？
答：因为单晶体内各个方向上原子排列密度不同，造成原子间结
合力不同，因而表现出各向异性；而多晶体是由很多个单晶
体所组成，它在各个方向上的力相互抵消平衡，因而表现各
向同性。
7.过冷度与冷却速度有何关系？它对金属结晶过程有何影响？对
铸件晶粒大小有何影响？
答：①冷却速度越大，则过冷度也越大。②随着冷却速度的增
大，则晶体内形核率和长大速度都加快，加速结晶过程的进
行，但当冷速达到一定值以后则结晶过程将减慢，因为这时
原子的扩散能力减弱。③过冷度增大，ΔF大，结晶驱动力
大，形核率和长大速度都大，且 N的增加比 G增加得快，提
高了 N与 G的比值，晶粒变细，但过冷度过大，对晶粒细化
不利，结晶发生困难。
8.金属结晶的基本规律是什么？晶核的形成率和成长率受到哪些
因素的影响？
答：①金属结晶的基本规律是形核和核长大。②受到过冷度的影
响，随着过冷度的增大，晶核的形成率和成长率都增大，但形
成率的增长比成长率的增长快；同时外来难熔杂质以及振动和
搅拌的方法也会增大形核率。
9.在铸造生产中，采用哪些措施控制晶粒大小？在生产中如何应
用变质处理？
答：①采用的方法：变质处理，钢模铸造以及在砂模中加冷铁以
加快冷却速度的方法来控制晶粒大小。②变质处理：在液态
金属结晶前，特意加入某些难熔固态颗粒，造成大量可以成
为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，
从而提高了形核率，细化晶粒。③机械振动、搅拌。
第二章金属的塑性变形与再结晶
1．解释下列名词：
加工硬化、回复、再结晶、热加工、冷加工。
答：加工硬化：随着塑性变形的增加，金属的强度、硬度迅速增
加；塑性、韧性迅速下降的现象。
回复：为了消除金属的加工硬化现象，将变形金属加热到某一
温度，以使其组织和性能发生变化。在加热温度较低
时，原子的活动能力不大，这时金属的晶粒大小和形状
没有明显的变化，只是在晶内发生点缺陷的消失以及位
错的迁移等变化，因此，这时金属的强度、硬度和塑性
等机械性能变化不大，而只是使内应力及电阻率等性能
显著降低。此阶段为回复阶段。
再结晶：被加热到较高的温度时，原子也具有较大的活动能
力，使晶粒的外形开始变化。从破碎拉长的晶粒变成
新的等轴晶粒。和变形前的晶粒形状相似，晶格类型
相同，把这一阶段称为“再结晶”。
热加工：将金属加热到再结晶温度以上一定温度进行压力加
工。
冷加工：在再结晶温度以下进行的压力加工。
2．产生加工硬化的原因是什么？加工硬化在金属加工中有什么利
弊？
答：①随着变形的增加，晶粒逐渐被拉长，直至破碎，这样使各
晶粒都破碎成细碎的亚晶粒，变形愈大，晶粒破碎的程度愈
大，这样使位错密度显著增加；同时细碎的亚晶粒也随着晶
粒的拉长而被拉长。因此，随着变形量的增加，由于晶粒破
碎和位错密度的增加，金属的塑性变形抗力将迅速增大，即
强度和硬度显著提高，而塑性和韧性下降产生所谓“加工硬
化”现象。②金属的加工硬化现象会给金属的进一步加工带
来困难，如钢板在冷轧过程中会越轧越硬，以致最后轧不
动。另一方面人们可以利用加工硬化现象，来提高金属强度
和硬度，如冷拔高强度钢丝就是利用冷加工变形产生的加工
硬化来提高钢丝的强度的。加工硬化也是某些压力加工工艺
能够实现的重要因素。如冷拉钢丝拉过模孔的部分，由于发
生了加工硬化，不再继续变形而使变形转移到尚未拉过模孔
的部分，这样钢丝才可以继续通过模孔而成形。
3．划分冷加工和热加工的主要条件是什么？
答：主要是再结晶温度。在再结晶温度以下进行的压力加工为冷
加工，产生加工硬化现象；反之为热加工，产生的加工硬化
现象被再结晶所消除。
4．与冷加工比较，热加工给金属件带来的益处有哪些？
答：（1）通过热加工，可使铸态金属中的气孔焊合，从而使其致
密度得以提高。
（2）通过热加工，可使铸态金属中的枝晶和柱状晶破碎，从而
使晶粒细化，机械性能提高。
（3）通过热加工，可使铸态金属中的枝晶偏析和非金属夹杂分
布发生改变，使它们沿着变形的方向细碎拉长，形成热压
力加工“纤维组织”（流线），使纵向的强度、塑性和韧性
显著大于横向。如果合理利用热加工流线，尽量使流线与
零件工作时承受的最大拉应力方向一致，而与外加切应力
或冲击力相垂直，可提高零件使用寿命。
5．为什么细晶粒钢强度高，塑性，韧性也好？
答：晶界是阻碍位错运动的，而各晶粒位向不同，互相约束，也
阻碍晶粒的变形。因此，金属的晶粒愈细，其晶界总面积愈
大，每个晶粒周围不同取向的晶粒数便愈多，对塑性变形的
抗力也愈大。因此，金属的晶粒愈细强度愈高。同时晶粒愈
细，金属单位体积中的晶粒数便越多，变形时同样的变形量
便可分散在更多的晶粒中发生，产生较均匀的变形，而不致
造成局部的应力集中，引起裂纹的过早产生和发展。因此，
塑性，韧性也越好。
6．金属经冷塑性变形后，组织和性能发生什么变化？
答：①晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性，如纵向的强度
和塑性远大于横向等；②晶粒破碎，位错密度增加，产生加
工硬化，即随着变形量的增加，强度和硬度显著提高，而塑
性和韧性下降；③织构现象的产生，即随着变形的发生，不
仅金属中的晶粒会被破碎拉长，而且各晶粒的晶格位向也会
沿着变形的方向同时发生转动，转动结果金属中每个晶粒的
晶格位向趋于大体一致，产生织构现象；④冷压力加工过程
中由于材料各部分的变形不均匀或晶粒内各部分和各晶粒间
的变形不均匀，金属内部会形成残余的内应力，这在一般情
况下都是不利的，会引起零件尺寸不稳定。
7．分析加工硬化对金属材料的强化作用？
答：随着塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此位错在运动
时的相互交割、位错缠结加剧，使位错运动的阻力增大，引起
变形抗力的增加。这样，金属的塑性变形就变得困难，要继续
变形就必须增大外力，因此提高了金属的强度。
8．已知金属钨、铁、铅、锡的熔点分别为
3380℃、1538℃、327℃、232℃，试计算这些金属的最低再结晶
温度，并分析钨和铁在 1100℃下的加工、铅和锡在室温（20℃）
下的加工各为何种加工？
答：T 再= 熔；钨 T 再=[*（3380+273）]-273=℃;铁
T 再=[*（1538+273）]-273=℃;铅 T 再=[*
（327+273）]-273=-33℃;锡 T 再=[*（232+273）]-273=-
71℃.由于钨 T 再为 ℃＞1100℃，因此属于热加工；铁
T 再为 ℃＜1100℃，因此属于冷加工；铅 T 再为-33℃＜
20℃，属于冷加工；锡 T 再为-71＜20℃，属于冷加工。
9．在制造齿轮时，有时采用喷丸法（即将金属丸喷射到零件表面
上）使齿面得以强化。试分析强化原因。
答：高速金属丸喷射到零件表面上，使工件表面层产生塑性变
形，形成一定厚度的加工硬化层，使齿面的强度、硬度升
高。
第三章合金的结构与二元状态图
1．解释下列名词：
合金，组元，相，相图；固溶体，金属间化合物，机械混合
物；枝晶偏析，比重偏析；固溶强化，弥散强化。
答：合金：通过熔炼，烧结或其它方法，将一种金属元素同一种
或几种其它元素结合在一起所形成的具有金属特性的新
物质，称为合金。
组元：组成合金的最基本的、独立的物质称为组元。
相：在金属或合金中，凡成分相同、结构相同并与其它部分有
界面分开的均匀组成部分，均称之为相。
相图：用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解称为
相图。
固溶体：合金的组元之间以不同的比例混合，混合后形成的固
相的晶格结构与组成合金的某一组元的相同，这种相
称为固溶体。
金属间化合物：合金的组元间发生相互作用形成的一种具有金
属性质的新相，称为金属间化合物。它的晶体
结构不同于任一组元，用分子式来表示其组
成。
机械混合物：合金的组织由不同的相以不同的比例机械的混合
在一起，称机械混合物。
枝晶偏析：实际生产中，合金冷却速度快，原子扩散不充分，
使得先结晶出来的固溶体合金含高熔点组元较多，
后结晶含低熔点组元较
多，这种在晶粒内化学成分不均匀的现象称为枝晶偏
析。
比重偏析：比重偏析是由组成相与溶液之间的密度差别所引起
的。如果先共晶相与溶液之间的密度差别较大，则
在缓慢冷却条件下凝固时，先共晶相便会在液体中
上浮或下沉，从而导致结晶后铸件上下部分的化学
成分不一致，产生比重偏析。
固溶强化：通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强
度、硬度升高的现象称为固溶强化。
弥散强化：合金中以固溶体为主再有适量的金属间化合物弥散
分布，会提高合金的强度、硬度及耐磨性，这种强
化方式为弥散强化。
2．指出下列名词的主要区别：
1）置换固溶体与间隙固溶体；
答：置换固溶体：溶质原子代替溶剂晶格结点上的一部分原子而
组成的固溶体称置换固溶体。
间隙固溶体：溶质原子填充在溶剂晶格的间隙中形成的固溶
体，即间隙固溶体。
2）相组成物与组织组成物；
相组成物：合金的基本组成相。
组织组成物：合金显微组织中的独立组成部分。
3．下列元素在α-Fe 中形成哪几种固溶体?
Si、C、N、Cr、Mn
答：Si、Cr、Mn形成置换固溶体；C、N形成间隙固溶体。
4．试述固溶强化、加工强化和弥散强化的强化原理,并说明三者
的区别.
答：固溶强化：溶质原子溶入后，要引起溶剂金属的晶格产生畸
变，进而位错运动时受到阻力增大。
弥散强化：金属化合物本身有很高的硬度，因此合金中以固溶
体为基体再有适量的金属间化合物均匀细小弥散分
布时，会提高合金的强度、硬度及耐磨性。这种用
金属间化合物来强化合金的方式为弥散强化。
加工强化：通过产生塑性变形来增大位错密度，从而增大位错
运动阻力，引起塑性变形抗力的增加，提高合金的
强度和硬度。
区别：固溶强化和弥散强化都是利用合金的组成相来强化合
金，固溶强化是通过产生晶格畸变，使位错运动阻力增
大来强化合金；弥散强化是利用金属化合物本身的高强
度和硬度来强化合金；而加工强化是通过力的作用产生
塑性变形，增大位错密度以增大位错运动阻力来强化合
金；三者相比，通过固溶强化得到的强度、硬度最低，
但塑性、韧性最好，加工强化得到的强度、硬度最高，
但塑韧性最差，弥散强化介于两者之间。
5．固溶体和金属间化合物在结构和性能上有什么主要差别？
答：在结构上：固溶体的晶体结构与溶剂的结构相同，而金属间
化合物的晶体结构不同于组成它的任一组元，它是
以分子式来表示其组成。
在性能上：形成固溶体和金属间化合物都能强化合金，但固溶体
的强度、硬度比金属间化合物低，塑性、韧性比金
属间化合物好，也就是固溶体有更好的综合机械性
能。
6.何谓共晶反应、包晶反应和共析反应?试比较这三种反应的异同
点.
答：共晶反应：指一定成分的液体合金，在一定温度下，同时结
晶出成分和晶格均不相同的两种晶体的反应。
包晶反应：指一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另外
一种固相的反应过程。
共析反应：由特定成分的单相固态合金，在恒定的温度下，分
解成两个新的，具有一定晶体结构的固相的反应。
共同点：反应都是在恒温下发生，反应物和产物都是具有特定
成分的相，都处于三相平衡状态。
不同点：共晶反应是一种液相在恒温下生成两种固相的反应；
共析反应是一种固相在恒温下生成两种固相的反应；
而包晶反应是一种液相与一种固相在恒温下生成另一
种固相的反应。
7．二元合金相图表达了合金的哪些关系？
答：二元合金相图表达了合金的状态与温度和成分之间的关系。
8．在二元合金相图中应用杠杆定律可以计算什么？
答：应用杠杆定律可以计算合金相互平衡两相的成分和相对含
量。
9.已知 A（熔点 600℃）与 B(500℃)在液态无限互溶；在固态
300℃时 A溶于 B的最大溶解度为 30%，室温时为 10%，但 B不溶
于 A；在 300℃时，含 40%B的液态合金发生共晶反应。现要求：
1）作出 A-B合金相图；
2）分析 20%A,45%A,80%A等合金的结晶过程，并确定室温下的组
织组成物和相组成物的相对量。
答：（1）
（2）20%A合金如图①：
合金在 1点以上全部为液相，当冷至 1点时，开始从液相中析出
α固溶体，至 2点结束，2～3点之间合金全部由α固溶
体所组成，但当合金冷到 3点以下，由于固溶体α的浓度
超过了它的溶解度限度，于是从固溶体α中析出二次相
A，因此最终显微组织：α+AⅡ
相组成物:α+A
A=（90-80/90）*100%=11%α=1-A%=89%
45%A合金如图②：
合金在 1点以上全部为液相，冷至 1点时开始从液相中析
出α固溶体，此时液相线成分沿线 BE变化，固相线成分
沿 BD线变化，当冷至 2点时，液相线成分到达 E点，发生
共晶反应，形成（A+α）共晶体，合金自 2点冷至室温过
程中，自中析出二次相 AⅡ，因而合金②室温组织：
AⅡ+α+(A+α)相组成物:A+α
组织：AⅡ=（70-55）/70*100%=21%α=1-AⅡ=79%
A+α=（70-55）/(70-40）*100%=50%
相：A=（90-55）/90*100%=50%α=1-A%=50%
80%A合金如图③：
合金在 1点以上全部为液相，冷至 1点时开始从液相中析
出 A，此时液相线成分沿 AE线变化，冷至 2点时，液相线
成分到达点，发生共晶反应，形成(A+α)共晶体，因而合
金③的室温组织：A+(A+α)
相组成物：A+α
组织：A=（40-20）/40*100%=50%A+α=1-A%=50%
相：A=（90-20）/90*100%=78%α=1-A%=22%
10．某合金相图如图所示。
1）试标注①—④空白区域中存在相的名称；
2）指出此相图包括哪几种转变类型；
3）说明合金Ⅰ的平衡结晶过程及室温下的显微组织。
答：(1)①：L+γ②:γ+β③:β+(α+β)④:β+αⅡ
(2)匀晶转变；共析转变
(3)合金①在 1点以上全部为液相,冷至 1点时开始从液相中析
出γ固溶体至 2点结束,2～3点之间合金全部由γ固溶
体所组成,3点以下,开始从γ固溶体中析出α固溶体,冷
至 4点时合金全部由α固溶体所组成,4～5之间全部由
α固溶体所组成,冷到 5点以下,由于α固溶体的浓度超
过了它的溶解度限度,从α中析出第二相β固溶体,最终
得到室稳下的显微组织:α+βⅡ
11．有形状、尺寸相同的两个 Cu-Ni合金铸件，一个含 90%Ni，
另一个含 50%Ni,铸后自然冷却，问哪个铸件的偏析较严重？
答：含 50%Ni的 Cu-Ni合金铸件偏析较严重。在实际冷却过程
中，由于冷速较快，使得先结晶部分含高熔点组元多，后结
晶部分含低熔点组元多，因为含 50%Ni的 Cu-Ni合金铸件固
相线与液相线范围比含 90%Ni铸件宽，因此它所造成的化学
成分不均匀现象要比含 90%Ni的 Cu-Ni合金铸件严重。
第四章铁碳合金
1．何谓金属的同素异构转变？试画出纯铁的结晶冷却曲线和晶体
结构变化图。
答：由于条件（温度或压力）变化引起金属晶体结构的转变，称
同素异构转变。
2．为什么γ-Fe 和α-Fe 的比容不同？一块质量一定的铁发生
（γ-Fe→α-Fe）转变时，其体积如何变化？
答：因为γ-Fe 和α-Fe 原子排列的紧密程度不同，γ-Fe 的致
密度为 74%,α-Fe 的致密度为 68%，因此一块质量一定的铁发
生（γ-Fe→α-Fe）转变时体积将发生膨胀。
3.何谓铁素体（F）,奥氏体（A），渗碳体（Fe3C），珠光体（P）,
莱氏体（Ld）？它们的结构、组织形态、性能等各有何特点？
答：铁素体（F）：铁素体是碳在中形成的间隙固溶体，为体心立
方晶格。由于碳在中的溶解度`很小，它的性能
与纯铁相近。塑性、韧性好，强度、硬度低。它
在钢中一般呈块状或片状。
奥氏体（A）：奥氏体是碳在中形成的间隙固溶体，面心立方晶
格。因其晶格间隙尺寸较大，故碳在中的溶解度较
大。有很好的塑性。
渗碳体（Fe3C）：铁和碳相互作用形成的具有复杂晶格的间隙化
合物。渗碳体具有很高的硬度，但塑性很差，延
伸率接近于零。在钢中以片状存在或网络状存在
于晶界。在莱氏体中为连续的基体，有时呈鱼骨
状。
珠光体（P）：由铁素体和渗碳体组成的机械混合物。铁素体和
渗碳体呈层片状。珠光体有较高的强度和硬度，但
塑性较差。
莱氏体（Ld）：由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。在莱氏体
中，渗碳体是连续分布的相，奥氏体呈颗粒状分
布在渗碳体基体上。由于渗碳体很脆，所以莱氏
体是塑性很差的组织。
-Fe3C合金相图有何作用？在生产实践中有何指导意义？又有
何局限性？
答：①碳钢和铸铁都是铁碳合金，是使用最广泛的金属材料。铁
碳合金相图是研究铁碳合金的重要工具，了解与掌握铁碳合
金相图，对于钢铁材料的研究和使用，各种热加工工艺的制
订以及工艺废品原因的分析等方面都有重要指导意义。②为
选材提供成分依据：相图描述了铁碳合金的组织随含碳量的
变化规律，合金的性能决定于合金的组织，这样根据零件的
性能要求来选择不同成分的铁碳合金；为制定热加工工艺提
供依据：对铸造，根据相图可以找出不同成分的钢或铸铁的
熔点，确定铸造温度；根据相图上液相线和固相线间距离估
计铸造性能的好坏。对于锻造：根据相图可以确定锻造温
度。对焊接：
根据相图来分析碳钢焊缝组织，并用适当热处理方法来减轻或
消除组织不均匀性；对热处理：相图更为重要，如退火、正
火、淬火的加热温度都要参考铁碳相图加以选择。③由于铁碳
相图是以无限缓慢加热和冷却的速度得到的，而在实际加热和
冷却通常都有不同程度的滞后现象。
5.画出 Fe-Fe3C相图，指出图中 S、C、E、P、N、G及
GS、SE、PQ、PSK各点、线的意义，并标出各相区的相组成物和
组织组成物。
答:
C：共晶点 1148℃%C，在这一点上发生共晶转变，反应
式：，当冷到 1148℃时具有 C点成分的液体中同时结晶
出具有 E点成分的奥氏体和渗碳体的两相混合物——莱氏
体
E：碳在中的最大溶解度点 1148℃%C
G：同素异构转变点（A3）912℃0%C
H：碳在中的最大溶解度为 1495℃%C
J：包晶转变点 1495℃%C 在这一点上发生包晶转变，反应
式：当冷却到 1495℃时具有 B点成分的液相与具有 H点成
分的固相δ反应生成具有 J点成分的固相 A。
N：同素异构转变点（A4）1394℃0%C
P：碳在中的最大溶解度点 %C727℃
S：共析点 727℃%C 在这一点上发生共析转变，反应
式：，当冷却到 727℃时从具有 S点成分的奥氏体中同时
析出具有 P点成分的铁素体和渗碳体的两相混合物——珠
光体 P（）
ES线：碳在奥氏体中的溶解度曲线，又称 Acm温度线，随温
度的降低，碳在奥化体中的溶解度减少，多余的碳以
形式析出，所以具有 %～%C的钢冷却到 Acm
线与 PSK线之间时的组织，从 A中析出的称为二次渗
碳体。
GS线：不同含碳量的奥氏体冷却时析出铁素体的开始线称 A3
线，GP线则是铁素体析出的终了线，所以 GSP区的
显微组织是。
PQ线：碳在铁素体中的溶解度曲线，随温度的降低，碳在铁
素体中的溶解度减少，多余的碳以形式析出，从中析
出的称为三次渗碳体，由于铁素体含碳很少，析出的
很少，一般忽略，认为从 727℃冷却到室温的显微组
织不变。
PSK线：共析转变线，在这条线上发生共析转变，产物（P）
珠光体，含碳量在 ～%的铁碳合金冷却到
727℃时都有共析转变发生。
6.简述 Fe-Fe3C相图中三个基本反应：包晶反应,共晶反应及共析
反应，写出反应式，标出含碳量及温度。
答：共析反应：冷却到 727℃时具有 S点成分的奥氏体中同时析
出具有 P点成分的铁素体和渗碳体的两相混合
物。γ+
包晶反应：冷却到 1495℃时具有 B点成分的液相与具有 H点成
分的固相δ反应生成具有 J点成分的固相
A。+δγ
共晶反应：1148℃时具有 C点成分的液体中同时结晶出具有 E
点成分的奥氏体和渗碳体的两相混合
物。γ+
7.何谓碳素钢？何谓白口铁？两者的成分组织和性能有何差别？
答：碳素钢：含有 %~%C的铁碳合金。
白口铁：含大于 %C的铁碳合金。
碳素钢中亚共析钢的组织由铁素体和珠光体所组成，其中珠光
体中的渗碳体以细片状分布在铁素体基体上，随着含碳量的增
加，珠光体的含量增加，则钢的强度、硬度增加，塑性、韧性
降低。当含碳量达到 %时就是珠光体的性能。过共析钢组
织由珠光体和二次渗碳体所组成，含碳量接近 %时，强度
达到最大值，含碳量继续增加，强度下降。由于二次渗碳体在
晶界形成连续的网络，导致钢的脆性增加。
白口铁中由于其组织中存在大量的渗碳体，具有很高的硬度和
脆性，难以切削加工。
8.亚共析钢、共析钢和过共析钢的组织有何特点和异同点。
答：亚共析钢的组织由铁素体和珠光体所组成。其中铁素体呈块
状。珠光体中铁素体与渗碳体呈片状分布。共析钢的组织由
珠光体所组成。过共析钢的组织由珠光体和二次渗碳体所组
成，其中二次渗碳体在晶界形成连续的网络状。
共同点：钢的组织中都含有珠光体。不同点：亚共析钢的组织是
铁素体和珠光体，共析钢的组织是珠光体，过共析
钢的组织是珠光体和二次渗碳体。
9.分析含碳量分别为 %、%、%、%的铁碳合金从
液态缓冷至室温时的结晶过程和室温组织.
答：%C:在 1~2点间合金按匀晶转变结晶出 A，在 2点结晶结
束，全部转变为奥氏体。冷到 3点时（727℃），在恒
温下发生共析转变，转变结束时全部为珠光体 P，珠
光体中的渗碳体称为共析渗碳体，当温度继续下降
时，珠光体中铁素体溶碳量减少，其成分沿固溶度线
PQ变化，析出三次渗碳体，它常与共析渗碳体长在
一起，彼此分不出，且数量少，可忽略。
室温时组织 P。
%C：合金在 1~2点间按匀晶转变结晶出 A，在 2点结晶结
束，全部转变为奥氏体。冷到 3点时开始析出 F，3-4
点 A成分沿 GS线变化，铁素体成分沿 GP线变化，当
温度到 4点时，奥氏体的成分达到 S点成分（含碳
%），便发生共析转变，形成珠光体，此时，原先析
出的铁素体保持不变，称为先共析铁素体，其成分为
%C，所以共析转变结束后，合金的组织为先共析
铁素体和珠光体，当温度继续下降时，铁素体的溶碳
量沿 PQ线变化，析出三次渗碳体，同样量很少，可忽
略。
所以含碳 %的亚共析钢的室温组织为：F+P
%C：合金在 1~2点间按匀晶转变结晶出奥氏体，2点结晶结
束，合金为单相奥氏体，冷却到 3点，开始从奥氏体中
析出二次渗碳体，沿奥氏体的晶界析出，呈网状分布，
3-4间不断析出，奥氏体成分沿 ES线变化，当温度到
达 4点（727℃）时，其含碳量降为 %，在恒温下
发生共析转变，形成珠光体，此时先析出的保持不变，
称为先共析渗碳体，所以共析转变结束时的组织为先共
析二次渗碳体和珠光体，忽略。
室温组织为二次渗碳体和珠光体。
10．指出下列名词的主要区别：
1）一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体与共析
渗碳体；
答：一次渗碳体：由液相中直接析出来的渗碳体称为一次渗碳
体。
二次渗碳体：从 A中析出的称为二次渗碳体。
三次渗碳体：从中析出的称为三次渗碳体。
共晶渗碳体：经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称
为共晶渗碳体。
共析渗碳体：经共析反应生成的渗碳体即珠光体中的渗碳体称
为共析渗碳体。
2）热脆与冷脆。
答：热脆：S在钢中以 FeS形成存在，FeS会与 Fe形成低熔点共
晶，当钢材在 1000℃~1200℃压力加工时，会沿着这
些低熔点共晶体的边界开裂，钢材将变得极脆，这种
脆性现象称为热脆。
冷脆：P使室温下的钢的塑性、韧性急剧降低，并使钢的脆性
转化温度有所升高，使钢变脆，这种现象称为“冷
脆”。
11．根据 Fe-Fe3C相图，计算：
1）室温下，含碳 %的钢中珠光体和铁素体各占多少；
2）室温下，含碳 %的钢中珠光体和二次渗碳体各占多少；
3）铁碳合金中，二次渗碳体和三次渗碳体的最大百分含量。
答：1）Wp=()/()*100%=74%Wα=1-74%=26%
2）Wp=()/()*100%=70%WFe3CⅡ=1-70%=30%
3）WFe3CⅡ=()/()*100%=23%
WFe3CⅢ=
12．某工厂仓库积压了许多碳钢（退火状态），由于钢材混杂，不
知道钢的化学成分，现找出其中一根，经金相分析后，发现其组
织为珠光体+铁素体，其中铁素体占 80%，问此钢材的含碳量大约
是多少？
答：由于组织为珠光体+铁素体，说明此钢为亚共析钢。
Wα=80%=(-WC)/()*100%WC=%
13．对某退火碳素钢进行金相分析，其组织的相组成物为铁素体+
渗碳体（粒状），其中渗碳体占 18%，问此碳钢的含碳量大约是多
少？
答：WFe3CⅡ=18%=()/()*100%WC=%
14．对某退火碳素钢进行金相分析，其组织为珠光体+渗碳体（网
状），其中珠光体占 93%，问此碳钢的含碳量大约为多少？
答：Wp=93%=(-WC)/()*100%=70%WC=%
15.计算 %C合金在 700℃下各个相及其组分数量和成分。
答：含 %C合金属于过共析钢，其组织为珠光体+二次渗碳体，
相为铁素体和渗碳体。
Wp=()/()*100%=55%WFe3CⅡ=1-55%=45%
Wα=（）/（）*100%=79%WFe3C=1-79%=21%
16．根据 Fe-Fe3C相图，说明产生下列现象的原因：
1）含碳量为 %的钢比含碳量为 %的钢硬度高；
答：钢中随着含碳量的增加，渗碳体的含量增加，渗碳体是硬脆
相，因此含碳量为 %的钢比含碳量为 %的钢硬度高。
2）在室温下，含碳 %的钢其强度比含碳 %的钢高；
答：因为在钢中当含碳量超过 %时，所析出的二次渗碳体在晶
界形成连续的网络状，使钢的脆性增加，导致强度下降。因
此含碳 %的钢其强度比含碳 %的钢高。
3）在 1100℃，含碳 %的钢能进行锻造，含碳 %的生铁不
能锻造；
答：在 1100℃时，含碳 %的钢的组织为奥氏体，奥氏体的塑性
很好，因此适合于锻造；含碳 %的生铁的组织中含有大量
的渗碳体，渗碳体的硬度很高，不适合于锻造。
4）绑轧物件一般用铁丝（镀锌低碳钢丝），而起重机吊重物却
用钢丝绳（用 60、65、70、75等钢制成）；
答：绑轧物件的性能要求有很好的韧性，因此选用低碳钢有很好
的塑韧性，镀锌低碳钢丝；而起重机吊重物用钢丝绳除要求
有一定的强度，还要有很高的弹性极限，而 60、65、70、75
钢有高的强度和高的弹性极限。这样在吊重物时不会断裂。
5）钳工锯 T8，T10,T12等钢料时比锯 10,20钢费力，锯条容易
磨钝；
答：T8，T10,T12属于碳素工具钢，含碳量为 %，%，
%，因而钢中渗碳体含量高，钢的硬度较高；而 10,20钢
为优质碳素结构钢，属于低碳钢，钢的硬度较低，因此钳工
锯 T8，T10,T12等钢料时比锯 10,20钢费力，锯条容易磨
钝。
6）钢适宜于通过压力加工成形，而铸铁适宜于通过铸造成形。
答：因为钢的含碳量范围在 %~%之间，渗碳体含量较
少，铁素体含量较多，而铁素体有较好的塑韧性，因而钢适
宜于压力加工；而铸铁组织中含有大量以渗碳体为基体的莱
氏体，渗碳体是硬脆相，因而铸铁适宜于通过铸造成形。
17.钢中常存杂质有哪些？对钢的性能有何影响？
答：钢中常存杂质有 Si、Mn、S、P等。
Mn：大部分溶于铁素体中，形成置换固溶体，并使铁素体强
化：另一部分 Mn溶于 Fe3C中，形成合金渗碳体，这都
使钢的强度提高，Mn与 S化合成 MnS，能减轻 S的有害
作用。当 Mn含量不多，在碳钢中仅作为少量杂质存在
时，它对钢的性能影响并不明显。
Si：Si与 Mn一样能溶于铁素体中，使铁素体强化，从而使钢
的强度、硬度、弹性提高，而塑性、韧性降低。当 Si含量
不多，在碳钢中仅作为少量夹杂存在时，它对钢的性能影
响并不显著。
S：硫不溶于铁，而以 FeS形成存在，FeS会与 Fe形成共晶，
并分布于奥氏体的晶界上，当钢材在 1000℃~1200℃压力
加工时，由于 FeS-Fe共晶（熔点只有 989℃）已经熔化，
并使晶粒脱开，钢材将变得极脆。
P：磷在钢中全部溶于铁素体中，虽可使铁素体的强度、硬度
有所提高，但却使室温下的钢的塑性、韧性急剧降低，并
使钢的脆性转化温度有所升高，使钢变脆。
18.试述碳钢的分类及牌号的表示方法。
答：分类：1）按含碳量分类
低碳钢：含碳量小于或等于 %的钢，
~%C≤%C
中碳钢：含碳量为 ~%的钢 ~%C
高碳钢：含碳量大于 %的钢 ~%C＞%C
（2）按质量分类：即含有杂质元素 S、P的多少分类：
普通碳素钢：S≤%P≤%
优质碳素钢：S、P≤~%
高级优质碳素钢：S≤~%；P≤~%
（3）按用途分类
碳素结构钢：用于制造各种工程构件，如桥梁、船舶、建筑
构件等，及机器零件，如齿轮、轴、连杆、螺
钉、螺母等。
碳素工具钢：用于制造各种刀具、量具、模具等，一般为高
碳钢，在质量上都是优质钢或高级优质钢。
牌号的表示方法：（1）普通碳素结构钢：
用 Q+数字表示，“Q”为屈服点，“屈”汉语拼音，数字表示
屈服点数值。若牌号后面标注字母 A、B、C、D，则表示钢材
质量等级不同，A、B、C、D质量依次提高，“F”表示沸腾钢，
“b”为半镇静钢，不标“F”和“b”的为镇静钢。
（2）优质碳素结构钢：
牌号是采用两位数字表示的，表示钢中平均含碳量的万分之
几。若钢中含锰量较高，须将锰元素标出，
（3）碳素工具钢：
这类钢的牌号是用“碳”或“T”字后附数字表示。数字表示
钢中平均含碳量的千分之几。若为高级优质碳素工具钢，则在
钢号最后附以“A”字。
19.低碳钢、中碳钢及高碳钢是如何根据含碳量划分的？分别举例
说明他们的用途？
答：低碳钢：含碳量小于或等于 %的钢；08、10、钢，塑
性、韧性好，具有优良的冷成型性能和焊接性能，
常冷轧成薄板，用于制作仪表外壳、汽车和拖拉机
上的冷冲压件，如汽车车身，拖拉机驾驶室等；
15、20、25钢用于制作尺寸较小、负荷较轻、表面
要求耐磨、心部强度要求不高的渗碳零件，如活塞
钢、样板等。
中碳钢：含碳量为 ~%的钢；30、35、40、45、50钢
经热处理（淬火+高温回火）后具有良好的综合机械
性能，即具有较高的强度和较高的塑性、韧性，用于
制作轴类零件；
高碳钢：含碳量大于 %的钢；60、65钢热处理（淬火+高温
回火）后具有高的弹性极限，常用作弹簧。T7、T8、
用于制造要求较高韧性、承受冲击负荷的工具，如小
型冲头、凿子、锤子等。T9、T10、T11、用于制造要
求中韧性的工具，如钻头、丝锥、车刀、冲模、拉丝
模、锯条。T12、T13、钢具有高硬度、高耐磨性，但
韧性低，用于制造不受冲击的工具如量规、塞规、样
板、锉刀、刮刀、精车刀等。
20．下列零件或工具用何种碳钢制造：手锯锯条、普通螺钉、车
床主轴。
答：手锯锯条：它要求有较高的硬度和耐磨性，因此用碳素工具
钢制造，如 T9、T9A、T10、T10A、T11、T11A。
普通螺钉：它要保证有一定的机械性能，用普通碳素结构钢制
造，如 Q195、Q215、Q235。
车床主轴：它要求有较高的综合机械性能，用优质碳素结构
钢，如 30、35、40、45、50。
21.指出下列各种钢的类别、符号、数字的含义、主要特点及用
途：
Q235-AF、Q235-C、Q195-B、Q255-
D、40、45、08、20、20R、20G、T8、T10A、T12A
答：Q235-AF：普通碳素结构钢，屈服强度为 235MPa的 A级沸腾
钢。
Q235-C:屈服强度为 235MPa的 C级普通碳素结构钢，
Q195-B:屈服强度为 195MPa的 B级普通碳素结构钢，
Q255-D:屈服强度为 255MPa的 D级普通碳素结构钢，
Q195、Q235含碳量低，有一定强度，常扎制成薄板、钢筋、
焊接钢管等，用于桥梁、建筑等钢结构，也可制造普通的铆
钉、螺钉、螺母、垫圈、地脚螺栓、轴套、销轴等等，Q255钢
强度较高，塑性、韧性较好，可进行焊接。通常扎制成型钢、
条钢和钢板作结构件以及制造连杆、键、销、简单机械上的齿
轮、轴节等。
40:含碳量为 %的优质碳素结构钢。
45含碳量为 %的优质碳素结构钢。
40、45钢经热处理（淬火+高温回火）后具有良好的综合机械
性能，即具有较高的强度和较高的塑性、韧性，用于制作轴类
零件。
08：含碳量为 %的优质碳素结构钢。塑性、韧性好，具有
优良的冷成型性能和焊接性能，常冷轧成薄板，用于制作
仪表外壳、汽车和拖拉机上的冷冲压件，如汽车车身，拖
拉机驾驶室等。
20：含碳量为 %的优质碳素结构钢。用于制作尺寸较小、
负荷较轻、表面要求耐磨、心部强度要求不高的渗碳零
件，如活塞钢、样板等。
20R：含碳量为 %的优质碳素结构钢，容器专用钢。
20G：含碳量为 %的优质碳素结构钢，锅炉专用钢。
T8：含碳量为 %的碳素工具钢。用于制造要求较高韧性、
承受冲击负荷的工具，如小型冲头、凿子、锤子等。
T10A：含碳量为 %的高级优质碳素工具钢。用于制造要求
中韧性的工具，如钻头、丝锥、车刀、冲模、拉丝模、
锯条。
T12A：含碳量为 %的高级优质碳素工具钢。具有高硬度、
高耐磨性，但韧性低，用于制造不受冲击的工具如量
规、塞规、样板、锉刀、刮刀、精车刀。
第五章钢的热处理
1.何谓钢的热处理？钢的热处理操作有哪些基本类型？试说明热
处理同其它工艺过程的关系及其在机械制造中的地位和作用。
答：（1）为了改变钢材内部的组织结构，以满足对零件的加工性
能和使用性能的要求所施加的一种综合的热加工工艺过
程。
（2）热处理包括普通热处理和表面热处理；普通热处理里面包
括退火、正火、淬火和回火，表面热处理包括表面淬火
和化学热处理，表面淬火包括火焰加热表面淬火和感应
加热表面淬火，化学热处理包括渗碳、渗氮和碳氮共渗
等。
（3）热处理是机器零件加工工艺过程中的重要工序。一个毛坯
件经过预备热处理，然后进行切削加工，再经过最终热处
理，经过精加工，最后装配成为零件。热处理在机械制造
中具有重要的地位和作用，适当的热处理可以显著提高钢
的机械性能，延长机器零件的使用寿命。热处理工艺不但
可以强化金属材料、充分挖掘材料潜力、降低结构重量、
节省材料和能源，而且能够提高机械产品质量、大幅度延
长机器零件的使用寿命，做到一个顶几个、顶十几个。此
外，通过热处理还可使工件表面具有抗磨损、耐腐蚀等特
殊物理化学性能。
2.解释下列名词：
1）奥氏体的起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度；
答：（1）起始晶粒度：是指在临界温度以上，奥氏体形成刚刚完
成，其晶粒边界刚刚接触时的晶粒大小。
（2）实际晶粒度：是指在某一具体的热处理加热条件下所得到
的晶粒尺寸。
（3）本质晶粒度：根据标准试验方法，在 930±10℃保温足够时
间（3-8小时）后测定的钢中晶粒的大小。
2）珠光体、索氏体、屈氏体、贝氏体、马氏体；
答：珠光体：铁素体和渗碳体的机械混合物。
索氏体：在 650～600℃温度范围内形成层片较细的珠光体。
屈氏体：在 600～550℃温度范围内形成片层极细的珠光体。
贝氏体：过饱和的铁素体和渗碳体组成的混合物。
马氏体：碳在α-Fe 中的过饱和固溶体。
3）奥氏体、过冷奥氏体、残余奥氏体；
答：奥氏体:碳在中形成的间隙固溶体.
过冷奥氏体:处于临界点以下的不稳定的将要发生分解的奥氏
体称为过冷奥氏体。
残余奥氏体：M转变结束后剩余的奥氏体。
4）退火、正火、淬火、回火、冷处理、时效处理（尺寸稳定处
理）；
答：退火：将工件加热到临界点以上或在临界点以下某一温度保
温一定时间后，以十分缓慢的冷却速度（炉冷、坑冷、
灰冷）进行冷却的一种操作。
正火：将工件加热到 Ac3或 Accm以上 30～80℃，保温后从炉中取
出在空气中冷却。
淬火：将钢件加热到 Ac3或 Ac1以上 30～50℃，保温一定时间，
然后快速冷却（一般为油冷或水冷），从而得马氏体的一
种操作。
回火：将淬火钢重新加热到 A1点以下的某一温度，保温一定时
间后，冷却到室温的一种操作。
冷处理：把冷到室温的淬火钢继续放到深冷剂中冷却，以减少残
余奥氏体的操作。
时效处理：为使二次淬火层的组织稳定，在 110~150℃经过 6~36
小时的人工时效处理，以使组织稳定。
5）淬火临界冷却速度（Vk），淬透性,淬硬性；
答：淬火临界冷却速度（Vk）：淬火时获得全部马氏体组织的最
小冷却速度。
淬透性：钢在淬火后获得淬硬层深度大小的能力。
淬硬性：钢在淬火后获得马氏体的最高硬度。
6）再结晶、重结晶；
答：再结晶：金属材料加热到较高的温度时，原子具有较大的活
动能力，使晶粒的外形开始变化。从破碎拉长
的晶粒变成新的等轴晶粒。和变形前的晶粒形
状相似，晶格类型相同，把这一阶段称为“再
结晶”。
重结晶：由于温度变化，引起晶体重新形核、长大，发生晶体结
构的改变，称为重结晶。
7）调质处理、变质处理。
答：调质处理：淬火后的高温回火。
变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些难熔固态颗
粒，造成大量可以成为非自发晶核的固态质
点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高
了形核率，细化晶粒。
3.指出 A1、A3、Acm；AC1、AC3、Accm；Ar1、Ar3、Arcm各临界点的意
义。
答：A1：共析转变线，含碳量在 ～%的铁碳合金冷却到
727℃时都有共析转变发生，形成 P。
A3：奥氏体析出铁素体的开始线。
Acm：碳在奥氏体中的溶解度曲线。
AC1：实际加热时的共析转变线。
AC3：实际加热时奥氏体析出铁素体的开始线。
Acm：实际加热时碳在奥氏体中的溶解度曲线。
Ar1：实际冷却时的共析转变线。
Ar3：实际冷却时奥氏体析出铁素体的开始线。
Arcm：实际冷却时碳在奥氏体中的溶解度曲线。
4.何谓本质细晶粒钢？本质细晶粒钢的奥氏体晶粒是否一定比本
质粗晶粒钢的细？
答：（1）本质细晶粒钢：加热到临界点以上直到 930℃，随温
度升高，晶粒长大速度很缓慢，称本质
细晶粒钢。
（2）不一定。本质晶粒度只代表钢在加热时奥氏体晶粒长大倾
向的大小。本质粗晶粒钢在较低加热温度下可获得细晶
粒，而本质细晶粒钢若在较高温度下加热也会得到粗晶
粒。
5.珠光体类型组织有哪几种？它们在形成条件、组织形态和性能
方面有何特点？
答：（1）三种。分别是珠光体、索氏体和屈氏体。
（2）珠光体是过冷奥氏体在 550℃以上等温停留时发生转变，
它是由铁素体和渗碳体组成的片层相间的组织。索氏体是
在 650～600℃温度范围内形成层片较细的珠光体。屈氏
体是在 600～550℃温度范围内形成片层极细的珠光体。
珠光体片间距愈小，相界面积愈大，强化作用愈大，因而
强度和硬度升高，同时，由于此时渗碳体片较薄，易随铁
素体一起变形而不脆断，因此细片珠光体又具有较好的韧
性和塑性。
6.贝氏体类型组织有哪几种？它们在形成条件、组织形态和性能
方面有何特点？
答：（1）两种。上贝氏体和下贝氏体。
（2）上贝氏体的形成温度在 600～350℃。在显微镜下呈羽毛
状，它是由许多互相平行的过饱和铁素体片和分布在片
间的断续细小的渗碳体组成的混合物。其硬度较高，可
达 HRC40～45，但由于其铁素体片较粗，因此塑性和韧
性较差。下贝氏体的形成温度在 350℃～Ms，下贝氏体
在光学显微镜下呈黑色针叶状，在电镜下观察是由针叶
状的铁素体和分布在其上的极为细小的渗碳体粒子组成
的。下贝氏体具有高强度、高硬度、高塑性、高韧性，
即具有良好的综合机械性能。
7.马氏体组织有哪几种基本类型？它们在形成条件、晶体结构、
组织形态、性能有何特点？马氏体的硬度与含碳量关系如何？
答：（1）两种，板条马氏体和片状马氏体。
（2）奥氏体转变后，所产生的 M的形态取决于奥氏体中的含
碳量，含碳量＜%的为板条马氏体；含碳量在 —
%之间为板条和针状混合的马氏体；含碳量大于 %
的为针状马氏体。低碳马氏体的晶体结构为体心立方。
随含碳量增加，逐渐从体心立方向体心正方转变。含碳
量较高的钢的晶体结构一般出现体心正方。低碳马氏体
强而韧，而高碳马氏体硬而脆。这是因为低碳马氏体中
含碳量较低，过饱和度较小，晶格畸变也较小，故具有
良好的综合机械性能。随含碳量增加，马氏体的过饱和
度增加，使塑性变形阻力增加，因而引起硬化和强化。
当含碳量很高时，尽管马氏体的硬度和强度很高，但由
于过饱和度太大，引起严重的晶格畸变和较大的内应
力，致使高碳马氏体针叶内产生许多微裂纹，因而塑性
和韧性显著降低。
（3）随着含碳量的增加，钢的硬度增加。
8.何谓等温冷却及连续冷却？试绘出奥氏体这两种冷却方式的示
意图。
答：等温冷却：把奥氏体迅速冷却到 Ar1以下某一温度保温，待
其分解转变完成后，再冷至室温的一种冷却转变
方式。
连续冷却：在一定冷却速度下，过冷奥氏体在一个温度范围内
所发生的转变。
9．为什么要对钢件进行热处理？
答：通过热处理可以改变钢的组织结构，从而改善钢的性能。热
处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿
命。恰当的热处理工艺可以消除铸、锻、焊等热加工工艺造
成的各种缺陷，细化晶粒、消除偏析、降低内应力，使钢的
组织和性能更加均匀。
10.试比较共析碳钢过冷奥氏体等温转变曲线与连续转变曲线的异
同点。
答：首先连续冷却转变曲线与等温转变曲线临界冷却速度不同。
其次连续冷却转变曲线位于等温转变曲线的右下侧，且没有
C曲线的下部分，即共析钢在连续冷却转变时，得不到贝氏
体组织。这是因为共析钢贝氏体转变的孕育期很长，当过冷
奥氏体连续冷却通过贝氏体转变区内尚未发生转变时就已过
冷到 Ms点而发生马氏体转变，所以不出现贝氏体转变。
11.淬火临界冷却速度 Vk的大小受哪些因素影响？它与钢的淬透
性有何关系？
答：（1）化学成分的影响：亚共析钢中随着含碳量的增加，C曲
线右移，过冷奥氏体稳定性增加，则 Vk减小，过共析钢
中随着含碳量的增加，C曲线左移，过冷奥氏体稳定性
减小，则 Vk增大；合金元素中，除 Co和 Al(>%)以外
的所有合金元素，都增大过冷奥氏体稳定性，使 C曲线
右移，则 Vk减小。
(2)一定尺寸的工件在某介质中淬火，其淬透层的深度与工件截
面各点的冷却速度有关。如果工件截面中心的冷速高于
Vk，工件就会淬透。然而工件淬火时表面冷速最大，心部
冷速最小，由表面至心部冷速逐渐降低。只有冷速大于
Vk的工件外层部分才能得到马氏体。因此，Vk越小，钢的
淬透层越深，淬透性越好。
12.将¢5mm的 T8钢加热至 760℃并保温足够时间，问采用什么样
的冷却工艺可得到如下组织：珠光体，索氏体，屈氏体，上贝氏
体，下贝氏体，屈氏体+马氏体，马氏体+少量残余奥氏体；在 C
曲线上描出工艺曲线示意图。
答：(1)珠光体：冷却至线~550℃范围内等温停留一段时间，再冷
却下来得到珠光体组织。
索氏体：冷却至 650～600℃温度范围内等温停留一段时
间，再冷却下来得到索光体组织。
屈氏体：冷却至 600～550℃温度范围内等温停留一段时
间，再冷却下来得到屈氏体组织。
上贝氏体：冷却至 600～350℃温度范围内等温停留一段时
间，再冷却下来得到上贝氏体组织。
下贝氏体：冷却至 350℃～Ms温度范围内等温停留一段时
间，再冷却下来得到下贝氏体组织。
屈氏体+马氏体：以大于获得马氏体组织的最小冷却速度并
小于获得珠光体组织的最大冷却速度连续
冷却，获得屈氏体+马氏体。
马氏体+少量残余奥氏体：以大于获得马氏体组织的最小冷
却速度冷却获得马氏体+少量残余
奥氏体。
(2)
13．退火的主要目的是什么？生产上常用的退火操作有哪几种？
指出退火操作的应用范围。
答：（1）均匀钢的化学成分及组织，细化晶粒，调整硬度，并消
除内应力和加工硬化，改善钢的切削加工性能并为随后的
淬火作好组织准备。
（2）生产上常用的退火操作有完全退火、等温退火、球化退
火、去应力退火等。
（3）完全退火和等温退火用于亚共析钢成分的碳钢和合金钢的
铸件、锻件及热轧型材。有时也用于焊接结构。球化退火
主要用于共析或过共析成分的碳钢及合金钢。去应力退火
主要用于消除铸件、锻件、焊接件、冷冲压件（或冷拔
件）及机加工的残余内应力。
14.何谓球化退火？为什么过共析钢必须采用球化退火而不采用完
全退火？
答：（1）将钢件加热到 Ac1以上 30～50℃，保温一定时间后随炉
缓慢冷却至 600℃后出炉空冷。
（2）过共析钢组织若为层状渗碳体和网状二次渗碳体时，不仅
硬度高，难以切削加工，而且增大钢的脆性，容易产生淬
火变形及开裂。通过球化退火，使层状渗碳体和网状渗碳
体变为球状渗碳体，以降低硬度，均匀组织、改善切削加
工性。
15.确定下列钢件的退火方法，并指出退火目的及退火后的组织：
1）经冷轧后的 15钢钢板，要求降低硬度；
答：再结晶退火。目的：使变形晶粒重新转变为等轴晶粒，以消
除加工硬化现象，降低了硬度，消除内应力。细化晶粒，均
匀组织，消除内应力，降低硬度以消除加工硬化现象。组
织：等轴晶的大量铁素体和少量珠光体。
2）ZG35的铸造齿轮
答：完全退火。经铸造后的齿轮存在晶粒粗大并不均匀现象，且
存在残余内应力。因此退火目的：细化晶粒，均匀组织，消
除内应力，降低硬度，改善切削加工性。组织：晶粒均匀细
小的铁素体和珠光体。
3）锻造过热后的 60钢锻坯；
答：完全退火。由于锻造过热后组织晶粒剧烈粗化并分布不均
匀，且存在残余内应力。因此退火目的：细化晶粒，均匀组
织，消除内应力，降低硬度，改善切削加工性。组织：晶粒
均匀细小的少量铁素体和大量珠光体。
4）具有片状渗碳体的 T12钢坯；
答：球化退火。由于 T12钢坯里的渗碳体呈片状，因此不仅硬度
高，难以切削加工，而且增大钢的脆性，容易产生淬火变形
及开裂。通过球化退火，使层状渗碳体和网状渗碳体变为球
状渗碳体，以降低硬度，均匀组织、改善切削加工性。组
织：粒状珠光体和球状渗碳体。
16.正火与退火的主要区别是什么？生产中应如何选择正火及退
火？
答：与退火的区别是①加热温度不同，对于过共析钢退火加热温
度在 Ac1以上 30～50℃而正火加热温度在 Accm以上 30～
50℃。②冷速快，组织细，强度和硬度有所提高。当钢件尺
寸较小时，正火后组织：S，而退火后组织：P。
选择：（1）从切削加工性上考虑
切削加工性又包括硬度，切削脆性，表面粗糙度及对刀具的
磨损等。
一般金属的硬度在 HB170～230范围内，切削性能较好。高于
它过硬，难以加工，且刀具磨损快；过低则切屑不易断，造
成刀具发热和磨损，加工后的零件表面粗糙度很大。对于
低、中碳结构钢以正火作为预先热处理比较合适，高碳结构
钢和工具钢则以退火为宜。至于合金钢，由于合金元素的加
入，使钢的硬度有所提高，故中碳以上的合金钢一般都采用
退火以改善切削性。
（2）从使用性能上考虑
如工件性能要求不太高，随后不再进行淬火和回火，那么
往往用正火来提高其机械性能，但若零件的形状比较复杂，正
火的冷却速度有形成裂纹的危险，应采用退火。
（3）从经济上考虑
正火比退火的生产周期短，耗能少，且操作简便，故在可
能的条件下，应优先考虑以正火代替退火。
17.指出下列零件的锻造毛坯进行正火的主要目的及正火后的显微
组织：
（1）20钢齿轮（2）45钢小轴（3）T12钢锉刀
答：（1）目的：细化晶粒，均匀组织，消除内应力，提高硬度，
改善切削加工性。组织：晶粒均匀细小的大量铁
素体和少量索氏体。
（2）目的：细化晶粒，均匀组织，消除内应力。组织：晶粒均
匀细小的铁
素体和索氏体。
（3）目的：细化晶粒，均匀组织，消除网状 Fe3CⅡ，为球化退
火做组织准备，消除内应力。组织：索氏体和球
状渗碳体。
18.一批 45钢试样（尺寸Φ15*10mm），因其组织、晶粒大小不均
匀，需采用退火处理。拟采用以下几种退火工艺；
（1）缓慢加热至 700℃，保温足够时间，随炉冷却至室温；
（2）缓慢加热至 840℃，保温足够时间，随炉冷却至室温；
（3）缓慢加热至 1100℃，保温足够时间，随炉冷却至室
温；
问上述三种工艺各得到何种组织？若要得到大小均匀的细小
晶粒，选何种工艺最合适？
答：（1）因其未达到退火温度，加热时没有经过完全奥氏体化，
故冷却后依然得到组织、晶粒大小不均匀的铁素体和珠光
体。
（2）因其在退火温度范围内，加热时全部转化为晶粒细小的
奥氏体，故冷却后得到组织、晶粒均匀细小的铁素体和
珠光体。
（3）因其加热温度过高，加热时奥氏体晶粒剧烈长大，故冷
却后得到晶粒粗大的铁素体和珠光体。
要得到大小均匀的细小晶粒，选第二种工艺最合适。
19.淬火的目的是什么？亚共析碳钢及过共析碳钢淬火加热温度应
如何选择？试从获得的组织及性能等方面加以说明。
答：淬火的目的是使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体并配
以不同温度回火获得各种需要的性能。
亚共析碳钢淬火加热温度 Ac3+（30～50℃），淬火后的组织为均
匀而细小的马氏体。因为如果亚共析碳钢加热温度在 Ac1～Ac3
之间，淬火组织中除马氏体外，还保留一部分铁素体，使钢的
强度、硬度降低。但温度不能超过 Ac3点过高，以防奥氏体晶
粒粗化，淬火后获得粗大马氏体。
过共析碳钢淬火加热温度 Ac1+（30～50℃），淬火后的组织为均
匀而细小的马氏体和颗粒状渗碳体及残余奥氏体的混合组织。
如果加热温度超过 Accm，渗碳体溶解过多，奥氏体晶粒粗大，
会使淬火组织中马氏体针变粗，渗碳体量减少，残余奥氏体量
增多，从而降低钢的硬度和耐磨性。淬火温度过高，淬火后易
得到含有显微裂纹的粗片状马氏体，使钢的脆性增加。
20.常用的淬火方法有哪几种？说明它们的主要特点及其应用范
围。
答：常用的淬火方法有单液淬火法、双液淬火法、等温淬火法和
分级淬火法。
单液淬火法：这种方法操作简单，容易实现机械化，自动化，
如碳钢在水中淬火，合金钢在油中淬火。但其缺
点是不符合理想淬火冷却速度的要求，水淬容易
产生变形和裂纹，油淬容易产生硬度不足或硬度
不均匀等现象。适合于小尺寸且形状简单的工
件。
双液淬火法：采用先水冷再油冷的操作。充分利用了水在高温
区冷速快和油在低温区冷速慢的优点，既可以保
证工件得到马氏体组织，又可以降低工件在马氏
体区的冷速，减少组织应力，从而防止工件变形
或开裂。适合于尺寸较大、形状复杂的工件。
等温淬火法：它是将加热的工件放入温度稍高于 Ms的硝盐浴
或碱浴中，保温足够长的时间使其完成 B转变。
等温淬火后获得 B 下组织。下贝氏体与回火马氏
体相比，在碳量相近，硬度相当的情况下，前者
比后者具有较高的塑性与韧性，适用于尺寸较
小，形状复杂，要求变形小，具有高硬度和强韧
性的工具，模具等。
分级淬火法：它是将加热的工件先放入温度稍高于 Ms的硝盐
浴或碱浴中，保温 2～5min，使零件内外的温度
均匀后，立即取出在空气中冷却。这种方法可以
减少工件内外的温差和减慢马氏体转变时的冷却
速度，从而有效地减少内应力，防止产生变形和
开裂。但由于硝盐浴或碱浴的冷却能力低，只能
适用于零件尺寸较小，要求变形小，尺寸精度高
的工件，如模具、刀具等。
21.说明 45钢试样（Φ10mm）经下列温度加热、保温并在水中冷
却得到的室温组织：700℃，760℃，840℃，1100℃。
答：700℃：因为它没有达到相变温度，因此没有发生相变，组织
为铁素体和珠光体。
760℃：它的加热温度在 Ac1～Ac3之间，因此组织为铁素体、
马氏体和少量残余奥氏体。
840℃：它的加热温度在 Ac3以上，加热时全部转变为奥氏
体，冷却后的组织为马氏体和少量残余奥氏体。
1100℃：因它的加热温度过高，加热时奥氏体晶粒粗化，淬火
后得到粗片状马氏体和少量残余奥氏体。
22.有两个含碳量为 %的碳钢薄试样，分别加热到 780℃和
860℃并保温相同时间，使之达到平衡状态，然后以大于 VK的冷
却速度至室温。试问：
（1）哪个温度加热淬火后马氏体晶粒较粗大？
答;因为 860℃加热温度高，加热时形成的奥氏体晶粒粗大，冷却
后得到的马氏体晶粒较粗大。
（2）哪个温度加热淬火后马氏体含碳量较多？
答；因为加热温度 860℃已经超过了 Accm，此时碳化物全部溶于奥
氏体中，奥氏体中含碳量增加，而奥氏体向马氏体转变是非
扩散型转变，所以冷却后马氏体含碳量较多。
（3）哪个温度加热淬火后残余奥氏体较多？
答：因为加热温度 860℃已经超过了 Accm，此时碳化物全部溶于奥
氏体中，使奥氏体中含碳量增加，降低钢的 Ms和 Mf点，淬火
后残余奥氏体增多。
（4）哪个温度加热淬火后未溶碳化物较少？
答：因为加热温度 860℃已经超过了 Accm，此时碳化物全部溶于奥
氏体中，因此加热淬火后未溶碳化物较少
（5）你认为哪个温度加热淬火后合适？为什么？
答：780℃加热淬火后合适。因为含碳量为 %的碳钢属于过共
析钢，过共析碳钢淬火加热温度 Ac1+（30～50℃），而 780℃
在这个温度范围内，这时淬火后的组织为均匀而细小的马氏
体和颗粒状渗碳体及残余奥氏体的混合组织，使钢具有高的
强度、硬度和耐磨性，而且也具有较好的韧性。
23.指出下列工件的淬火及回火温度，并说明其回火后获得的组织
和大致的硬度：
（1）45钢小轴（要求综合机械性能）；
（2）60钢弹簧；
（3）T12钢锉刀。
答：（1）45钢小轴（要求综合机械性能），工件的淬火温度为
850℃左右，回火温度为 500℃～650℃左右，其回火后
获得的组织为回火索氏体，大致的硬度 25～35HRC。
（2）60钢弹簧，工件的淬火温度为 850℃左右，回火温度为
350℃～500℃左右，其回火后获得的组织为回火屈氏
体，大致的硬度 40～48HRC。
（3）T12钢锉刀，工件的淬火温度为 780℃左右，回火温度为
150℃～250℃，其回火后获得的组织为回火马氏体，大致
的硬度 60HRC。
24.为什么工件经淬火后往往会产生变形，有的甚至开裂？减小变
形及防止开裂有哪些途径？
答：淬火中变形与开裂的主要原因是由于淬火时形成内应为。淬
火内应力形成的原因不同可分热应力与组织应力两种。
工件在加热和(或)冷却时由于不同部位存在着温度差别而导致
热胀和(或)冷缩不一致所引起的应力称为热应力。热应力引起
工件变形特点时：使平面边为凸面，直角边钝角，长的方向变
短，短的方向增长，一句话，使工件趋于球形。
钢中奥氏体比体积最小,奥氏体转变为其它各种组织时比体积
都会增大,使钢的体积膨胀;工件淬火时各部位马氏体转变-先
后不一致,因而体积膨胀不均匀。这种由于热处理过程中各部
位冷速的差异使工件各部位相转变的不同时性所引起的应力,
称为相变应力(组织应力)。组织应力引起工件变形的特点却与
此相反：使平面变为凹面，直角变为钝角，长的方向变长；短
的方向缩短，一句话，使尖角趋向于突出。
工件的变形与开裂是热应力与组织应力综合的结果，但热应力
与组织应力方向恰好相反，如果热处理适当，它们可部分相互
抵消，可使残余应力减小，但是当残余应力超过钢的屈服强度
时，工件就发生变形，残余应力超过钢的抗拉强度时，工件就
产生开裂。为减小变形或开裂，出了正确选择钢材和合理设计
工件的结构外，在工艺上可采取下列措施：
1.采用合理的锻造与预先热处理
锻造可使网状、带状及不均匀的碳化物呈弥散均匀分布。淬火
前应进行预备热处理(如球化退火与正火),不但可为淬火作好
组织准备,而且还可消除工件在前面加工过程中产生的内应
力。
2.采用合理的淬火工艺；
正确确定加热温度与加热时间,可避免奥氏体晶粒粗化。对形
状复杂或导热性差的高合金钢,应缓慢加热或多次预热,以减
少加热中产生的热应力。工件在加热炉中安放时,要尽量保证
受热均匀,防止加热时变形;选择合适的淬火冷却介质和洋火
方法(如马氏体分级淬火、贝氏体等温淬火),以减少冷却中热
应力和相变应力等。
3.淬火后及时回火
淬火内应力如不及时通过回火来消除,对某些形状复杂的或
碳的质量分数较高的工件,在等待回火期间就会发生变形与
开裂。
4.对于淬火易开裂的部分，如键槽，孔眼等用石棉堵塞。
25.淬透性与淬硬层深度两者有何联系和区别？影响钢淬透性的因
素有哪些？影响钢制零件淬硬层深度的因素有哪些？
答：淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层的能力。不同的钢在同样
的条件下淬硬层深不同，说明不同的钢淬透性不同，淬硬层较
深的钢淬透性较好。淬硬性：是指钢以大于临界冷却速度冷却
时，获得的马氏体组织所能达到的最高硬度。钢的淬硬性主要
决定于马氏体的含碳量，即取决于淬火前奥氏体的含碳量。
影响淬透性的因素：
①化学成分
C曲线距纵坐标愈远，淬火的临界冷却速度愈小，则钢的淬透
性愈好。对于碳钢，钢中含碳量愈接近共析成分，其 C曲线愈
靠右，临界冷却速度愈小，则淬透性愈好，即亚共析钢的淬透
性随含碳量增加而增大，过共析钢的淬透性随含碳量增加而减
小。除 Co和 Al（＞%）以外的大多数合金元素都使 C曲线
右移，使钢的淬透性增加，因此合金钢的淬透性比碳钢好。
②奥氏体化温度
温度愈高，晶粒愈粗，未溶第二相愈少，淬透性愈好。
26.钢的淬硬层深度通常是怎规定的？用什么方法测定结构钢的淬
透性？怎样表示钢的淬透性值。
答：为了便于比较各种钢的淬透性，常利用临界直径 Dc来表示钢
获得淬硬层深度的能力。所谓临界直径就是指圆柱形钢棒加
热后在一定的淬火介质中能全部淬透的最大直径。
对同一种钢 Dc油＜Dc水，因为油的冷却能力比水低。目前国内
外都普遍采用“顶端淬火法”测定钢的淬透性曲线，比较不同
钢的淬透性。
“顶端淬火法”——国家规定试样尺寸为φ25×100mm；水柱自
由高度 65mm；此外应注意加热过程中防止氧化，脱碳。将钢
加热奥氏体化后，迅速喷水冷却。显然，在喷水端冷却速度
最大，沿试样轴向的冷却速度逐渐减小。据此，末端组织应
为马氏体，硬度最高，随距水冷端距离的加大，组织和硬度
也相应变化，将硬度随水冷端距离的变化绘成曲线称为淬透
性曲线。
不同钢种有不同的淬透性曲线，工业上用钢的淬透性曲线几乎
都已测定，并已汇集成册可查阅参考。由淬透性曲线就可比较
出不同钢的淬透性大小。
此外对于同一种钢，因冶炼炉冷不同，其化学成分会在一个限
定的范围内波动，对淬透性有一定的影响，因此钢的淬透性曲
线并不是一条线，而是一条带，即表现出“淬透性带”。钢的
成分波动愈小，淬透性带愈窄，其性能愈稳定，因此淬透性带
愈窄愈好。
27.回火的目的是什么？常用的回火操作有哪几种？指出各种回火
操作得到的组织、性能及其应用范围。
答：回火的目的是降低淬火钢的脆性，减少或消除内应力，使组
织趋于稳定并获得所需要的性能。
常用的回火操作有低温回火、中温回火、高温回火。
低温回火得到的组织是回火马氏体。内应力和脆性降低，保持
了高硬度和高耐磨性。这种回火主要应用于高碳钢或高碳合金
钢制造的工、模具、滚动轴承及渗碳和表面淬火的零件，回火
后的硬度一般为 HRC58-64。
中温回火后的组织为回火屈氏体，硬度 HRC35-45，具有一定
的韧性和高的弹性极限及屈服极限。这种回火主要应用于含碳
%的碳钢和合金钢制造的各类弹簧。
高温回火后的组织为回火索氏体，其硬度 HRC25-35，具有适
当的强度和足够的塑性和韧性。这种回火主要应用于含碳
%的碳钢和合金钢制造的各类连接和传动的结构零件，
如轴、连杆、螺栓等。
28.指出下列组织的主要区别：
（1）索氏体与回火索氏体；
（2）屈氏体与回火屈氏体；
（3）马氏体与回火马氏体。
答：由奥氏体冷却转变而成的屈氏体(淬火屈氏体)和索氏体(淬火
索氏体)组织,与由马氏体分解所得到的回火屈氏体和回火索氏
体组织有很大的区别,主要是碳化物的形态不同。由奥氏体直
接分解的屈氏体及索氏体中的碳化物是片状的,而由马氏体分
解的回火屈氏体与回火索氏体中碳化物是颗粒状的。回火索氏
体和回火屈氏体相对于索氏体与屈氏体其塑性和韧性较好。马
氏体（M）是由 A直接转变成碳在α—Fe中过饱和固溶体。回
火马氏体是过饱和的α固溶体（铁素体）和与其晶格相联系
的ε碳化物所组成，其淬火内应力和脆性得到降低。
29.表面淬火的目的是什么？常用的表面淬火方法有哪几种？比较
它们的优缺点及应用范围。并说明表面淬火前应采用何种预先热
处理。
答：表面淬火的目的是使工件表层得到强化，使它具有较高的强
度，硬度，耐磨性及疲劳极限，而心部为了能承受冲击载荷
的作用，仍应保持足够的塑性与韧性。常用的表面淬火方法
有：1.感应加热表面淬火；2.火焰加热表面淬火。
感应加热表面淬火是把工件放入有空心铜管绕成的感应器
（线圈）内，当线圈通入交变电流后，立即产生交变磁场，
在工件内形成“涡流”，表层迅速被加热到淬火温度时而心部
仍接近室温，在立即喷水冷却后，就达到表面淬火的目的。
火焰加热表面淬火是以高温火焰为热源的一种表面淬火法。
将工件快速加热到淬火温度，在随后喷水冷却后，获得所需
的表层硬度和淬硬层硬度。
感应加热表面淬火与火焰加热淬火相比较有如下特点:
1)感应加热速度极快,只要几秒到几十秒的时间就可以把工件
加热至淬火温度,:而且淬火加热温度高(AC3以上
80~150℃)。
2)因加热时间短,奥氏体晶粒细小而均匀,淬火后可在表面层
获得极细马氏体,使工件表面层较一般淬火硬度高 2~3HRC,
且脆性较低。
3）感应加热表面淬火后,淬硬层中存在很大残余压应力,有效
地提高了工件的疲劳强,且变形小,不易氧化与脱碳。
4)生产率高,便于机械化、自动化,适宜于大批量生产。
但感应加热设备比火焰加热淬火费用较贵,维修调整比较困难,
形状复杂的线圈不易制造
表面淬火前应采用退火或正火预先热处理。
30.化学热处理包括哪几个基本过程？常用的化学热处理方法有哪
几种？
答：化学热处理是把钢制工件放置于某种介质中，通过加热和保
温，使化学介质中某些元素渗入到工件表层，从而改变表层
的化学成分，使心部与表层具有不同的组织与机械性能。
化学热处理的过程：
1分解：化学介质要首先分解出具有活性的原子；
2吸收：工件表面吸收活性原子而形成固溶体或化合物；
3扩散：被工件吸收的活性原子，从表面想内扩散形成一定厚
度的扩散层。
常用的化学热处理方法有：渗碳、氮化、碳氮共渗、氮碳共
渗。
31.试述一般渗碳件的工艺路线，并说明其技术条件的标注方法。
答：一般渗碳件的工艺路线为：
下料→锻造→正火→切削加工→渡铜（不渗碳部位）→渗碳→
淬火→低温回火→喷丸→精磨→成品
32.氮化的主要目的是什么？说明氮化的主要特点及应用范围。
答：在一定温度(一般在 AC1以下)使活性氮原子渗入工件表面的化
学热处理工艺称为渗氮。其目的是提高工件表面硬度、耐磨
性、耐蚀性及疲劳强度。氮化的主要特点为：1)工件经渗氮
后表面形成一层极硬的合金氮化物(如 CrN、MoN、AIN等),渗
氮层的硬度一般可达 950~1200HV(相当于 68-72HRC),且渗氮
层具有高的红硬性(即在 600~650℃仍有较高硬度)。2)工件
经渗氮后渗氮层体积增大,造成表面压应力,使疲劳强度显著
提高。3)渗氮层的致密性和化学稳定性均很高,因此渗氮工件
具有高的耐蚀性。4)渗温度低,渗氮后又不再进行热处理,所
以工件变形小,一般只需精磨或研磨、抛光即可。
渗氮主要用于要求耐磨性和精密度很高的各种高速传动的精密
齿轮、高精度机床主轴(如锺轴、磨床主轴)、分配式液压泵转
子,交变载荷作用下要求疲劳强度高的零件(高速柴油机曲轴),
以及要求变形小和具有一定耐热、抗蚀能力的耐磨零件(阀门)
等。
33.试说明表面淬火、渗碳、氮化热处理工艺在用钢、性能、应用
范围等方面的差别。
答：表面淬火一般适用于中碳钢（~%C）和中碳低合金钢
（40Cr、40MnB等），也可用于高碳工具钢，低合金工具钢
（如 T8、9Mn2V、GCr15等）。以及球墨铸铁等。它是利用快速
加热使钢件表面奥氏体化，而中心尚处于较低温度即迅速予
以冷却，表层被淬硬为马氏体，而中心仍保持原来的退火、
正火或调质状态的组织。应用范围：（1）高频感应加热表面
淬火应用于中小模数齿轮、小型轴的表面淬火。（2）中频感
应加热表面淬火主要用于承受较大载荷和磨损的零件,例如大
模数齿轮、尺寸较大的曲轴和凸轮轴等。(3)工频感应加热表
面淬火工频感应加热主要用于大直径钢材穿透加热和要求淬
硬深度深的大直径零件,例如火车车轮、轧辘等的表面淬火。
渗碳钢都是含 ~%的低碳钢和低碳合金钢,如
20、20Cr、20CrMnTi、20SiMnVB等。渗碳层深度一般都在
~。
钢渗碳后表面层的碳量可达到 ～%C范围。渗碳件渗碳
后缓冷到室温的组织接近于铁碳相图所反映的平衡组织，从表
层到心部依次是过共析组织，共析组织，亚共析过渡层，心部
原始组织。
渗碳主要用于表面受严重磨损，并在较大的冲载荷下工作的零
件（受较大接触应力）如齿轮、轴类、套角等。
氮化用钢通常是含 Al、Cr、Mo等合金元素的钢，如
38CrMoAlA是一种比较典型的氮化钢，此外还有
35CrMo、18CrNiW等也经常作为氮化钢。与渗碳相比、氮化工
件具有以下特点：
1）氮化前需经调质处理，以便使心部组织具有较高的强度和
韧性。
2）表面硬度可达 HRC65～72，具有较高的耐磨性。
3）氮化表面形成致密氮化物组成的连续薄膜，具有一定的耐
腐蚀性。
4）氮化处理温度低，渗氮后不需再进行其它热处理。
氮化处理适用于耐磨性和精度都要求较高的零件或要求抗热、
抗蚀的耐磨件。如：发动机的汽缸、排气阀、高精度传动齿轮
等。
34.拟用 T10制造形状简单的车刀，工艺路线为：
锻造—热处理—机加工—热处理—磨加工
（1）试写出各热处理工序的名称并指出各热处理工序的作
用；
（2）指出最终热处理后的显微组织及大致硬度；
（3）制定最终热处理工艺规定（温度、冷却介质）
答：（1）工艺路线为：锻造—退火—机加工—淬火后低温回火—
磨加工。退火处理可细化组织，调整硬度，改善切削加工
性；淬火及低温回火可获得高硬度和耐磨性以及去除内应
力。
（2）终热处理后的显微组织为回火马氏体，大致的硬度
60HRC。
（3）T10车刀的淬火温度为 780℃左右，冷却介质为水；回火
温度为 150℃～250℃。
35.选择下列零件的热处理方法，并编写简明的工艺路线（各零件
均选用锻造毛坯，并且钢材具有足够的淬透性）：
（1）某机床变速箱齿轮（模数 m=4），要求齿面耐磨，心部强
度和韧性要求不高，材料选用 45钢；
（2）某机床主轴，要求有良好的综合机械性能，轴径部分要
求耐磨（HRC50-55），材料选用 45钢；
（3）镗床镗杆，在重载荷下工作，精度要求极高，并在滑动
轴承中运转，要求镗杆表面有极高的硬度，心部有较高的
综合机械性能，材料选用 38CrMoALA。
答：（1）下料→锻造→正火→粗加工→精加工→局部表面淬火+
低温回火→精磨→成品
（2）下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→局部表面
淬火+低温回火→精磨→成品
（3）下料→锻造→退火→粗加工→调质→精加工→氮化→研
磨→成品
36.某型号柴油机的凸轮轴，要求凸轮表面有高的硬度
（HRC>50），而心部具有良好的韧性（Ak>40J），原采用 45钢调质
处理再在凸轮表面进行高频淬火，最后低温回火，现因工厂库存
的 45钢已用完，只剩 15钢，拟用 15钢代替。试说明：
（1）原 45钢各热处理工序的作用；
（2）改用 15钢后，应按原热处理工序进行能否满足性能要
求？为什么？
（3）改用 15钢后，为达到所要求的性能，在心部强度足够
的前提下采用何种热处理工艺？
答：（1）正火处理可细化组织，调整硬度，改善切削加工性；调
质处理可获得高的综合机械性能和疲劳强度；局部表面
淬火及低温回火可获得局部高硬度和耐磨性。
（2）不能。改用 15钢后按原热处理工序会造成心部较软，表
面硬，会造成表面脱落。
（3）渗碳。
37.有甲、乙两种钢，同时加热至 1150℃，保温两小时，经金相
显微组织检查，甲钢奥氏体晶粒度为 3级，乙钢为 6级。由此能
否得出结论：甲钢是本质粗晶粒钢，而乙钢是本质细晶粒钢？
答：不能。本质晶粒度是在 930±19℃,保温 3~8小时后测定的奥
氏体晶粒大小。本质细晶粒钢在加热到临界点 Acl以上直到
930℃晶粒并未显著长大。超过此温度后,由于阻止晶粒长大的
难溶质点消失,晶粒随即迅速长大。1150℃超过 930℃，有可
能晶粒随即迅速长大，所以不能的出结论甲钢是本质粗晶粒
钢，而乙钢是本质细晶粒钢。
38.为什么用铝脱氧的钢及加入少量 Ti，Zr，V，Nb,W等合金元素
的钢都是本质细晶粒钢？奥氏体晶粒大小对转变产物的机械性能
有何影响？
答：铝脱氧及加入少量 Ti，Zr，V，Nb,W等合金元素会形成高温
难溶的合金化合物，在 930±19℃左右抑制了晶粒的长大。所
以加入以上合金元素的钢都是本质细晶粒钢。
39.钢获得马氏体组织的条件是什么？与钢的珠光体相变及贝氏体
相变比较，马氏体相变有何特点？
答：钢获得马氏体组织的条件是：钢从奥氏体状态快速冷却,来不
及发生扩散分解而发生无扩散型的相变。
马氏体相变的特点为：
(1)无扩散性。钢在马氏体转变前后,组织中固溶的碳浓度没有
变化,马氏体和奥氏体中固溶的碳量一致,仅发生晶格改变,
因而马氏体的转变速度极快。
(2)有共格位向关系。马氏体形成时,马氏体和奥氏体相界面上
的原子是共有的,既属于马氏体,又属于奥氏体,称这种关系
为共格关系。
(3)在通常情况下,过冷奥氏体向马氏体转变开始后,必须在不
断降温条件下转变才能继续进行,冷却过程中断,转变立即停
止。
40.说明共析钢 C曲线各个区,各条线的物理意义，并指出影响 C
曲线形状和位置的主要因素。
答：过冷奥氏体等温转变曲线说明：
1)由过冷奥氏体开始转变点连接起来的曲线称为转变开始线;
由转变终了点连接起来的曲线称为转变终了线。A1线以右转
变开始线以左的区域是过冷奥氏体区;A1线以下,转变终了线
以右和 Ms点以上的区域为转变产物区;在转变开始线与转变
终了线之间的区域为过冷奥氏体和转变产物共存区。
2)过冷奥氏体在各个温度等温转变时,都要经过一段孕育期
（它以转变开始线与纵坐标之间的水平距离来表示）。对共析
碳钢来说,转变开始线在 550℃出现拐弯，该处被称为 C曲线
的鼻尖,它所对应的温度称为鼻温。
3)共析碳钢的过冷奥氏体在三个不同温度区间,可发生三种不
同的转变:在 C曲线鼻尖以上部分,即 A1~550℃之间过冷奥氏
体发生珠光体转变,转变产物是珠光体,故又称珠光体转变;
在 C曲线鼻尖以下部分,即 550℃~Ms 之间,过冷奥氏体发生贝
氏体转变,转变产物是贝氏体,故又称贝氏体转变;在 Ms点:以
下,过冷奥氏体发生马氏体转变,转变产物是马氏体,故又称马
氏体转变。
亚共析和过共析钢的等温转变 C曲线,与共析钢的不同是,亚共
析钢的 C曲线上多一条代表析出铁素体的线。过共析钢的 C曲
线上多一条代表二次渗碳体的析出线。
影响 C曲线形状和位置的主要因素有：
凡是提高奥氏体稳定性的因素,都使孕育期延长,转变减慢,因
而使 C曲线右移。-反之,使 C曲线左移。碳钢 c曲线的位置与
钢的含碳量有关,在亚共析钢中,随着含碳量的增加,钢的 C曲
线位置右移。在过共析钢中,随着含碳量的增加,c曲线又向左
移。除此之外,钢的奥氏体化温度愈高,保温时间愈长,奥氏体
晶粒愈粗大,则 C曲线的位置愈右移。
41.将 20钢及 60钢同时加热至 860℃，并保温相同时间，问哪种
钢奥氏体晶粒粗大些？
答：60钢奥氏体晶粒粗大些。
第六章合金钢
1.为什么比较重要的大截面的结构零件如重型运输机械和矿山机
器的轴类，大型发电机转子等都必须用合金钢制造？与碳钢比
较，合金钢有何优缺点？
答：碳钢制成的零件尺寸不能太大，否则淬不透，出现内外性能不
均，对于一些大型的机械零件，（要求内外性能均匀），就不能
采用碳钢制作，比较重要的大截面的结构零件如重型运输机械
和矿山机器的轴类，大型发电机转子等都必须用合金钢制造。
(1)如上所述合金钢的淬透性高
(2)合金钢回火抗力高
碳钢淬火后，只有经低温回火才能保持高硬度，若其回火温度
超过 200℃，其硬度就显著下降。即回火抗力差，不能在较高
的温度下保持高硬度，因此对于要求耐磨，切削速度较高，刃
部受热超过 200℃的刀具就不能采用碳钢制作而采用合金钢来
制作。
(3)合金钢能满足一些特殊性能的要求
如耐热性、耐腐蚀性、耐低温性（低温下高韧性）。
2.合金元素 Mn、Cr、W、Mo、V、Ti、Zr、Ni对钢的 C曲线和 MS
点有何影响？将引起钢在热处理、组织和性能方面的什么变化？
答：除 Co以外，大多数合金元素都增加奥氏体的稳定性，使 C曲
线右移。非碳化物形成元素 Al、Ni、Si、Cu等不改变 C曲线
的形状，只使其右移，碳化物形成元素 Mn、Cr、Mo、W等除使
C曲线右移外，还将 C曲线分裂为珠光体转变的贝氏体转变两
个 C曲线，并在此二曲线之间出现一个过冷奥氏体的稳定区。
除 Co、Al外，其他合金元素均使 Ms点降低，残余奥氏体量增
多。
由于合金元素的加入降低了共析点的碳含量、使 C曲线右移,
从而使退火状态组织中的珠光体的比例增大,使珠光体层片距
离减小,这也使钢的强度增加,塑性下降。由于过冷奥氏体稳定
性增大,合金钢在正火状态下可得到层片距离更小的珠光体,或
贝氏体甚至马氏体组织,从而强度大为增加。Mn、Cr、Cu的强
化作用较大,而 Si、Al、V、Mo等在一般含量(例如一般结构钢
的实际含量)下影响很小。合金元素都提高钢的淬透性,促进马
氏体的形成,使强度大为增加但焊接性能变坏。
3.合金元素对回火转变有何影响？
答:合金元素对回火转变及性能的影响如下：
1.产生二次硬化
由于合金元素的扩散慢并阻碍碳的扩散,还阻碍碳化物的聚集
和长大,因而合金钢中的碳化物在较高的回火温度时,仍能保持
均匀弥散分布的细小碳化物的颗粒。强碳化物形成元素如
Cr、W、Mo、V等,在含量较高及在一定回火温度下,还将沉淀
析出各自的特殊碳化物。如 Mo2C、W2C、VC等,析出的碳化物
高度弥散分布在马氏体基体上,并与马氏体保持共格关系,阻碍
位错运动,使钢的硬度反而有所提高,这就形成了二次硬化。钢
的硬度不仅不降低,反而再次提高。
在合金钢中,当含有 W、Mo、Ti、V、Si等,它们一般都推迟 a
相的回复与再结晶和碳化物的聚集,从而可抑制钢的硬度、强
度的降低。
2.提高淬火钢的回火稳定性（耐回火性）
由于合金元素阻碍马氏体分解和碳化物聚集长大过程,使回火
的硬度降低过程变缓,从而提高钢的回火稳定性。由于合金钢
的回火稳定性比碳钢高,若要得到相同的回火硬度时,则合金钢
的回火温度就比同样含碳量的碳钢要高,回火时间也长。而当
回火温度相同时,合金钢的强度、硬度都比碳钢高。
3.回火时产生第二类回火脆性
在合金钢中,除了有低温回火脆性外,在含有 Cr、Ni、Mn等元
素的钢中,在 550~650℃回火后,又出现了冲击值的降低(如图 8),
称为高温回火脆性或第二类回火脆性。此高温回火脆性为可逆
回火脆性，或第二类回火脆性。产生这类回火脆性的原因,一
般认为是由于锡、磷、锑、砷等有害元素沿奥氏体晶界偏聚,
减弱了晶界上原子间的结合力所致。
4.解释下列现象：
（1）在相同含碳量情况下，除了含 Ni和 Mn的合金钢外，大
多数合金钢的热处理加热温度都比碳钢高；
答：在相同含碳量情况下，除了含 Ni和 Mn的合金钢外，大多数
合金钢的热处理加热温度都比碳钢高，其主要原因是合金元
素的加入而改变了碳在钢中的扩散速度所致。非碳化物形成
元素如 Ni、Co,可降低碳在奥氏体中的扩散激活能,增加奥氏
体形成速度。相反,强碳化物形成元素如 v、Ti、w、Mo等,与
碳有较大的亲合力,增加碳在奥氏体中的扩散激活能,强烈地
减缓碳在钢中的扩散,大大减慢了奥氏体化的过程。
奥氏体形成后,尚未固溶的各种类型的碳化物,其稳定性各不相
同。稳定性高的碳化物,要使之完全分解和固溶于奥氏体中,需
要进一步提高加热温度,这类合金元素将使奥氏体化的时间增
长。
合金钢中奥氏体化过程还包括均匀化的过程。它不但需要碳的
扩散,而且合金元素也必需要扩散。但合金元素的扩散速度很
慢,即使在 1000℃的高温下,也仅是碳扩散速度的万分之几或
干分之几。因此,合金钢的奥氏体成分均匀化比碳钢更缓慢。
以保证合金元素溶入奥氏体并使之均匀化,从而充分发挥合金
元素的作用。
（2）在相同含碳量情况下，含碳化物形成元素的合金钢比碳
钢具有较高的回火稳定性；
答：当温度超过 150℃以后,强碳化物形成元素可阻碍碳的扩散,
因而提高了马氏体分解温度。与碳钢相比,合金钢中的残余奥
氏体要在更高的回火温度才能转变。在高合金钢中残余奥氏
体十分稳定,甚至加热到 500~600℃并保温一段时间仍不分
解。合金元素的扩散慢并阻碍碳的扩散,阻碍了碳化物的聚集
和长大，使回火的硬度降低过程变缓,从而提高钢的回火稳定
性。由于合金钢的回火稳定性比碳钢高,若要得到相同的回火
硬度时,则合金钢的回火温度就比同样含碳量的碳钢要高,回
火时间也长。而当回火温度相同时,合金钢的强度、硬度都比
碳钢高。
（3） 含碳量≥%、含铬 12%的铬钢属于过共析钢，而
含碳 %、含铬 12%的钢属于莱氏体钢；
答：由于合金元素加入后显著改变了 S点的位置，使它向碳含量
减少的方向移动。所以含碳量≥%、含铬 12%的铬钢属于
过共析钢，而含碳 %、含铬 12%的钢属于莱氏体钢
（4）高速钢在热锻或热轧后，经空冷获得马氏体组织。
答：由于钢中含有大量的合金元素，高速钢的过冷奥氏体非常稳
定，因而钢的淬透性很高。对于中、小型刃具在热锻或热轧
后，经空冷可获得马氏体组织。
5.何谓调质钢？为什么调质钢的含碳量均为中碳？合金调质钢中
常含哪些合金元素？它们在调质钢中起什么作用？
答：通常把经调质处理后才使用的钢称为调质钢。从碳含量上
看，低碳钢在淬火及低温回火状态虽具有良好的综合机械性
能，但它的疲劳极限低于中碳钢，淬透性也不如中碳钢。高
碳钢虽然强度高，但它的韧性及塑性很低。因此，调质钢的
含碳量均为中碳。
合金调质钢中常含合金元素有铬、锰、镍、硅、钼、钨、钒、
铝、钛等。合金调质钢的主加元素有铬、锰、镍、硅等,以增
加淬透性。它们在钢中除增加淬透性外,还能强化铁素体,起固
溶强化作用。辅加元素有钼、钨、钒、铝、钛等。钼、钨的主
要作用是防止或减轻第二类回火脆性,并增加回火稳定性;钒、
钛的作用是细化晶粒;加铝能加速渗氮过程。
钢的 Ac1约为 820℃，若以一般工具钢 Ac1+30-50℃常规
方法来确定淬火加热温度，在最终热处理后能否达到高速切削刃
具所要求的性能？为什么？W18Cr4V钢刀具在正常淬火后都要进
行 560℃三次回火，又是为什么？
答：若以一般工具钢 Ac1+30-50℃常规方法来确定 W18Cr4V钢淬火
加热温度，在最终热处理后不能达到高速切削刃具所要求的
性能。因为若按常规方法来确定淬火加热温度，则合金碳化
物不易溶解，不能满足在高速切削时刀具应保持红硬性、高
耐磨性的要求。为使奥氏体得到足够的合金化，必须加热到
远远大于 Ac1的温度，既 1280℃左右。18Cr4V钢刀具在正常
淬火后都要进行 560℃三次回火，这是为消除残余奥氏体。
第七章铸铁
1.白口铸铁、灰口铸铁和钢，这三者的成分、组织和性能有何主
要区别？
答：碳钢是指含碳量 %～%的铁碳合金，铸铁是指大于
%的铁碳合金。与钢相比，铸铁中含碳及含硅量较高。比
碳钢含有较多硫、磷等杂质元素。
钢的组织为铁素体+珠光体、珠光体、珠光体+二次渗碳体；钢
的组织为珠光体+二次渗碳体+莱氏体、莱氏体、一次渗碳体+
莱氏体。
钢中低碳钢塑性韧性较好、强度和硬度较低，良好的焊接性能
和冷成型性能；中碳钢有优良的综合机械性能；高碳钢塑性韧
性较低，但强度和硬度较高、耐磨性较好。以上钢均可进行锻
造和轧制，并可经过热处理改变其组织，进而极大的提高其性
能。
白口铸铁组织中存在着共晶莱氏体,性能硬而脆,很难切削加工,
但其耐磨性好，铸造性能优良。
灰铸铁组织中碳全部或大部分以片状石墨形式存在,断口呈暗
灰色。其铸造性能、切削加工性、减摩性、消震性能良好，缺
口敏感性较低。
2.化学成分和冷却速度对铸铁石墨化和基体组织有何影响？
答：(1)化学成分
1)碳和硅。碳和硅是强烈促进石墨化元素,铸铁中碳和硅的含
量越高,就越容易充分进行石墨化。由于共晶成分的铸铁具有
最佳的铸造性能。因此,将灰铸铁的碳当量均配制到 4%左
右。
2)锰。锰是阻止石墨化的元素,但锰与硫化合成硫化锰,减弱了
硫的有害作用,结果又间接促进石墨化的作用。故铸铁中有适
量的锰是必要的。
3)硫。硫是强烈阻碍石墨化的元素,它不仅强烈地促使白口化,
而且还会降低铸铁的流动性和力学性能,所以硫是有害元素,
必须严格控制其含量。
(2)冷却速度
生产实践证明,在同一成分的铸铁件中,其表面和薄壁部分易出
现白口组织,而内部和厚壁处则容易进行石墨化。由此可见,冷
却速度对石墨化的影响很大。冷却速度越慢,原子扩散时间充
分,也就越有利于石墨化的进行。冷却速度主要决定于浇注温
度、铸件壁厚和铸型材料。
4)磷。磷是弱促进石墨化的元素,同时能提高铁液的流动性,但
磷的含量过高会增加铸铁的脆性,使铸铁在冷却过程中易开裂,
、所以也应严格控制其含量。
3.试述石墨形态对铸铁性能的影响。
答：灰铸铁中石墨呈片状，片状石墨的强度、塑性、韧性几乎为
零,存在石墨地方就相当于存在孔洞、微裂纹,它不仅破坏了
基体的连续性,减少了基体受力有效面积,而且在石墨片尖端
处形成应为集中,使材料形成脆性断裂。石墨片的数量越多,
尺寸越粗大,分布越不均匀,铸铁的抗拉强度和塑性就越低。
由于灰铸铁的抗压强度、硬度与耐磨性主要取决于基体,石墨
存在对其影响不大。故灰铸铁的抗压强度一般是抗拉强度的
3-4倍。
球墨铸铁中石墨呈球状，所以对金属基体的割裂作用较小,使
得基体比较连续,在拉伸时引起应力集中的现象明显下降,从而
使基体强度利用率从灰铸铁的 30%~50%提高到 70%~90%,这就使
球墨铸铁的抗拉强度、塑性和韧性、疲劳强度不仅高于其它铸
铁,而且可以与相应组织的铸钢相比。
可锻铸铁中石墨呈团絮状。与灰铸铁相比对金属基体的割裂作
用较小,可锻铸铁具有较高的力学性能,尤其是塑性与韧性有明
显的提高。
第八章有色金属及其合金
1.不同铝合金可通过哪些途径达到强化目的？
答：铸造铝硅合金可通过变质处理达到强化的目的。能热处理强
化的变形铝合金可利用时效强化（固溶处理后时效处理）达到
强化目的。
2.何谓硅铝明？它属于哪一类铝合金？为什么硅铝明具有良好的
铸造性能？在变质处理前后其组织及性能有何变化？这类铝合金
主要用在何处？
答：铝硅铸造合金又称为硅铝明，由于含硅量为 17%附近的硅铝
明为共晶成分合金，具有优良的铸造性能。在铸造缓冷后,其
组织主要是共晶体(α十 Si),其中硅晶体是硬化相,并呈粗大
针状,会严重降低合金的力学性能,为了改善铝硅合金性能,可
在浇注前往液体合金中加入含钠的变质剂,纳能促进硅形核,
并阻碍其晶体长犬,使硅晶体成为极细粒状均匀分布在铝基体
上。钠还能使相图中共晶点向右下方移动,使变质后形成亚共
晶组织。变质后铝合金的力学性能显著提高。
铸造铝硅合金一般用来制造质轻、耐蚀、形状复杂及有一定力
学性能的铸件,如发动机缸体、手提电动或风动工具(手电钻)
以及仪表外壳。同时加入镁、铜的铝硅系合金(如 ZL108),在
变质处理后还可进行固溶处理+时效,使其具有较好耐热性和耐
磨性,是制造内燃机活塞的材料。
版权所有：林润
二 OO九年四月十一日
